Входящие углы зданий

Определение. Входящие углы составляют одну из общих характеристик конфигурации здания, которая в плане имеет форму L-, Т-, П-, Н-, Х- или некоторое сочетание из этих форм (рис. 10.6.1). Такие формы используются наиболее часто, обеспечивая при этом компактность организации обширных пространств с большим количеством светлых и просторных помещений по периметру здания. Системы кондиционирования воздуха, предусматриваемые в проекте, до некоторой степени снижают необходимость доступа воздуха через проемы периметра здания, и за счет этого создается характерная "глубокая" форма плана, типичная для архитектуры середины XX в. Возвращение к естественной вентиляции и фонарям дневного света способствует вторичному появлению в практике строительства узких конфигураций с традиционными простыми входящими углами.

Рис. 10.6.1. Входящие углы в различных конфигурациях

Расчетные концепции. Следует упомянуть об основных трудностях, которые возникают при использовании этих решений.

	Рис. 10.6.2. Усилия, воздействующие на L-образное в плане здание: 1 - усилия; 2 - перемещение грунта; Δ - деформации здания
	Рис. 10.6.3. Две схемы L-образного плана

Первая относится к переменной величине жесткости различных элементов конструкций, а следовательно, и дифференциации перемещений отдельных частей здания, что вызывает концентрацию местных напряжений в зоне входящего угла. Пример на рис. 10.6.2. При перемещении грунта в направлении север-юг жесткость крыльев здания, имеющего эту ориентацию, будет значительно больше, чем жесткость элементов конструкций, расположенных в направлении восток-запад. Если крыло, расположенное с ориентацией север-юг, является отдельным зданием, его конструкции будут иметь меньший прогиб по сравнению с прогибом крыла, которое расположено в направлении восток-запад. Но когда оба крыла объединены в одно здание, каждое из них стремится к собственному перемещению в месте соединения, в результате чего происходит искажение конфигурации элементов с последующим возможным разрушением (рис. 10.6.3). В этом случае следует помнить о динамическом характере воздействующих усилий; последующее разрушение обычно вызывается знакопеременным перемещением.

Вторая сложность в зданиях указанных конфигураций - это проблема кручения. Она появляется в связи с невозможностью совпадения центра тяжести конструкций с центром жесткости для всех возможных направлений действия сейсмических нагрузок во время землетрясения. В результате возникает вращение, которое различными способами и с различной интенсивностью воздействия стремится исказить форму здания в плане; в итоге появляются силы, направление и величину которых трудно предсказать. Явления, вызываемые эффектом кручения и напряжения, концентрация которых наблюдается в местах переломов плана, взаимно увязаны. Величина сил и степень влияния данного фактора зависят от массы здания, типа конструктивной системы, длины и высоты крыльев здания и отношения их длины к ширине. Часто крылья здания от входящих углов имеют различную высоту, поэтому различность вертикальных размеров, наличие уступов здания в сочетании с горизонтальной неравномерностью формы входящего угла в плане создают ещебольшую проблему обеспечения сейсмостойкости сооружений.

Примеры повреждений зданий. Анализ разрушений во время землетрясения в Чили, 1960, показывает, что чаще всего поврежденные здания и сооружения включают большое количество крыльев или других конструктивных пристроек, а также имеют L-образную форму в плане. Здания с правильной и простой формой в плане отличаются хорошей работой в условиях воздействия сейсмической нагрузки. В L-образном здании школы повреждение наступило в месте конструктивного соединения двух отдельных частей (крыльев) здания. Правая сторона крыла была выдвинута относительно переднего плана; перпендикулярно была расположена система перекрытий другого крыла. При обследовании было замечено, что плиты перекрытия по мере того, как отдельные корпуса здания перемещались относительно друг друга, выдавливались из своей плоскости, нарушая при этом устойчивость колонн с последующим их разрушением. Разрушение в рассматриваемом крыле здания происходило, в основном, по причине изменения прямого угла, характерного для конструкций L-образной формы; плиты перекрытий выбивали стеновые элементы. Это не было следствием ошибки, допущенной при проектировании, однако изменение сейсмического коэффициента в нормативной документации могло бы улучшить положение.

Рис. 10.6.4. План здания высшей школы в г. Анкоридж.

Рис. 10.6.5. Высшая школа в г. Анкоридж. Повреждение диафрагм в месте пересечения крыльев здания

Повреждения здания высшей школы в г. Анкоридж (рис. 10.6.4) во время землетрясения на Аляске, 1964, являются типичными для такого вида конструкций, и, поскольку полного разрушения здания не произошло, последовательность событий была восстановлена и проанализирована. Нельзя точно определить последовательность или направление разрушения; можно предположить, что повреждение конструкции началось с покрытия, у вершины угла, образованного двумя частями крыла здания с расположенными в нем классными комнатами за счет возникновения в этой конструкции покрытия крутящего момента. Кроме того, после отделения диска кровельного покрытия в этой точке, каждая часть крыла с расположенными в нем классными комнатами начала работать как отдельное здание, что вызвало перераспределение нагрузки в стенах-диафрагмах (рис. 10.6.5); их несущая способность была недостаточной для восприятия перераспределенной нагрузки, в результате чего они были повреждены. Несущая способность колонн наружной части здания, расположенных на уровне второго этажа, оказалась также недостаточной для восприятия всей нагрузки, поэтому они тоже были повреждены. В этот момент разрушающее действие сейсмической нагрузки прекратилось. Более гибкие колонны центральной части коридора не пострадали.

При расстоянии между балками 6.1 м составляющие элементы здания не работают совместно: диафрагма в зоне угла подвергается воздействию значительных сил, больших чем при рядовом расположении, поэтому фактор прочности в этом месте имеет большое значение. Обычно в этих местах, в проеме дисков перекрытий, устанавливаются лестничные клетки и лифты (в наименее целесообразном месте).

Решения. Существуют два основных альтернативных метода решения проблемы зданий, имеющих входящие углы: конструктивное разделение здания на более простые формы и более прочное и жесткое соединение отдельных частей здания (рис. 10.6.6). В случае использования антисейсмических швов их проектирование и устройство должно осуществляться с высоким качеством и надежностью, обеспечивающими требуемую работу в условиях воздействия сейсмической нагрузки.

Рис. 10.6.6. Два основных решения входящих углов здания: а - разделение здания; б - соединение крыльев здания

Конструктивно разделенные части здания должны иметь достаточную несущую способность для восприятия вертикальных и горизонтальных нагрузок, и их собственные формы планов следует уравновешивать как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости. Важность этого подтверждается полным разрушением отдельно стоящих блоков лестничных клеток здания госпиталя Олив Вью во время землетрясения в Сан-Франциско, 1971 (расстояние в 10,16 см между основным зданием больницы Олив Вью и блоками лестничных клеток оказалось небольшим, и произошло разрушение от соударения).

Рис. 10.6.7. Способы решения разделительных швов:

а - колонны или стены; б - консоль; в - соединение типа "скользящий шов"

При проектировании антисейсмических швов следует определить максимальную величину возможного сдвига обеих частей здания. В худшем случае обе части здания наклоняются друг к другу одновременно, поэтому ширина шва должна перекрывать сумму прогибов обоих зданий. Антисейсмические швы могут быть различных типов, но во всех случаях они должны обеспечивать полное конструктивное разделение систем перекрытий и стеновых элементов соседних блоков (рис. 10.6.7). Неконструктивные элементы (перегородки, подвесные потолки, коммуникационные трубы и каналы) также проектируются с учетом возможного перемещения, кроме тех случаев, когда можно без особого экономического ущерба пожертвовать некоторые второстепенными элементами. Например, можно пожертвовать снимаемыми листовыми металлическими секциями навесных стеновых панелей, но нельзя обычным остеклением навесных панелей. Конструкция антисейсмических разделительных швов подобна деформационным и температурным швам. На рис. 10.6.8, 10.6.9 показаны примеры зданий с антисейсмическими швами.

Рис. 10.6.8. План здания Саннихайтс, показывающий расположение антисейсмических швов (1)	Рис. 10.6.9. Разделение сложного плана Медицинского центра Калифорнийского университета на отдельные части

При устройстве антисейсмических швов следует учитывать возможность соударения с соседними зданиями или с частями одного здания во время землетрясений. При этом особенно важно определение жесткости соседних зданий, так как от ее величины зависит перемещение конструкций и, следовательно, ширина разделительного промежутка, требуемого для предотвращения контакта соответствующих элементов. Взаимное смещение определяется по расчету, как сумма значений прогибов для каждого здания в отдельности (с учетом пластических деформаций), при этом прогибы двух нижних этажей увеличивают (с коэффициентом 2).

В нормах США значение смещения конструкций не должно превышать 0,5% высоты этажа (для высоты этажа, равной 5.08 м, эта величина будет равна 2,54 см). В нормах России предлагается значение разделения, равное 3 см для зданий высотой до 5 м, дополнительные 2 см на каждые следующие 5 м. Применение этих цифр целесообразно на стадии эскизного проектирования, т.е. до того, как на основе расчета будут получены точные цифровые данные.

Важно определить положение элементов жесткости: если они не примыкают друг к другу, то расчетная ситуация существенно ухудшается (рис. 10.6.11).

		Рис. 10.6.11. Возможность повреждения в уровне перекрытий расположенных рядом зданий
Рис. 10.6.10. Повреждение здания Лэнг Билдинг в результате соударений во время землетрясения в Манагуа, 1972.

Если решено выполнить здание единым (без швов), то в зонах пересечения для передачи усилий связевые элементы могут использоваться только тогда, когда в конструкцию включены стержневые элементы, развитые на всю ширину здания. Вместо связевых элементов возможно использование диафрагм, устанавливаемых в тех же местах (рис. 10.6.12).

Рис. 10.6.12. Соединение здания в единое целое:

а - связевые балки; б - диафрагмы

Рис 10.6.13. Решение конструктивной схемы П-образного в плане здания Парк Роу (Нью-Йорк) рассчитанного на сопротивление ветровым нагрузкам

Наиболее уязвимая часть крыла здания - его открытый торец, поэтому рекомендуется в этом месте сооружения устанавливать элементы жесткости (рис. 10.6.13).

Использование в планах зданий и сооружений входящих скошенных углов снижает влияние концентраторов (рис. 10.6.14), так же как круглое отверстие в металлической пластине создает меньшую концентрацию напряжений по сравнению с прямоугольным. На рис. 10.6.15 показаны примеры конструктивных решений, включающих компромиссное сочетание форм крестообразной или вписанной в простой квадрат.

Рис. 10.6.14. Скошенный входящий угол	Рис. 10.6.15. Перераспределение напряжений за счет конструктивного решения